夏星帆，高 飛

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580；2.青島黃海學(xué)院，山東 青島 266591)

煤系氣屬于非常規(guī)天然氣，包括煤層氣、致密氣、煤系頁巖氣等氣藏。煤層氣屬于解吸產(chǎn)氣，需要排水降壓才能獲得工業(yè)氣流[1]。隨著排采的不斷深入，氣井的產(chǎn)氣量逐漸增加，產(chǎn)液量不斷下降，有的井產(chǎn)水很少甚至幾乎不產(chǎn)水[2]。在進行排水過程中，煤粉、泥、砂等固相顆粒將隨著產(chǎn)出液進入到井筒，影響泵和排出設(shè)備的運行[3]。對于產(chǎn)氣量較高的致密氣、煤系頁巖氣井，如果合理地設(shè)計管柱，實現(xiàn)氣攜水生產(chǎn)，對于提升生產(chǎn)效益意義重大[9]。由于煤系氣儲層一般是煤層與砂層多層疊置共存，因此，在氣體產(chǎn)出的同時，將伴隨著煤粉等固相顆粒的產(chǎn)出。這些固相顆粒進入到井筒和集輸管道，將影響設(shè)備的正常運行，對井筒和集輸設(shè)備提出了新的要求[4]。從上面分析可見，對于煤系氣排采，探索井筒內(nèi)產(chǎn)出氣體的攜液能力、液攜(氣攜)固相顆粒的運移規(guī)律及其不同屬性的固相顆粒運移特征，對于維持井筒的正常功能、保障煤系氣的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)意義重大。為完成國家科技重大專項的研究任務(wù)，探索中低產(chǎn)煤系氣井井筒的流場規(guī)律[5-8]，研制了煤系氣井筒模擬綜合試驗裝置。該試驗裝置的主試驗管柱具有管套、桿管、桿內(nèi)3個通道，通過改變氣量、液量，模擬煤系氣井不同的產(chǎn)氣(液)量，可以較好地模擬煤系氣井筒氣(液)的流動規(guī)律，進行低壓氣(液)攜能力試驗，對于分析井筒流場規(guī)律有重要意義。本文介紹該試驗裝置的基本功能、設(shè)計思想、整體結(jié)構(gòu)和部分試驗的結(jié)果。

1 試驗裝置的基本功能

根據(jù)項目要求和試驗室條件，設(shè)定該試驗裝置主要完成如下試驗功能：

1) 管套環(huán)空氣體攜帶煤粉等固相顆粒試驗，包括定性和定量分析、接箍對煤粉攜帶的影響分析等。

2) 管桿環(huán)空液體攜帶煤粉、泥、砂的能力及定量與定性分析。

3) 節(jié)流噴嘴對煤粉攜帶的影響分析。

4) 低壓氣攜液能力試驗分析，臨界攜液能力的試驗。

5) 不同溫度條件對液攜煤粉、煤焦的影響。

6) 沿程壓力下降與測試。

7) 煤系氣氣舉采氣的原理試驗等。

為了完成上述基本功能，該試驗裝置需要設(shè)計試驗管柱、供氣部分、供液部分、混合模擬腔、測控系統(tǒng)等。從整體功能上可以分為氣攜(煤粉、液)和液攜(固相顆粒)2個模塊。

2 試驗裝置的基本工藝流程和總體方案

2.1 氣攜試驗?zāi)K組成

按照上述對試驗裝置的基本要求，該試驗裝置從功能上分為氣攜(煤粉、液)和液攜(固相顆粒)2個模塊。組合2個模塊的功能，統(tǒng)一進行管路與測控系統(tǒng)的布局設(shè)計。

要實現(xiàn)氣攜(煤粉、液)模塊的基本功能，采用羅茨鼓風(fēng)機作為氣源，向試驗系統(tǒng)注入一定流量的氣體。通過回流系統(tǒng)控制進入裝置的氣體流量和壓力。通過固相顆粒注入口向試驗系統(tǒng)注入固相顆粒，模擬氣攜固相顆粒工況。通過在試驗混合模擬腔內(nèi)存放液體，模擬氣攜液體工況。用氣體流量計、壓力計監(jiān)測流量、沿程壓力損失。通過透明試驗管柱觀察混合模擬腔產(chǎn)出的氣體在井筒模型系統(tǒng)中的流場規(guī)律。氣攜試驗?zāi)K流程如圖1所示。改變井筒的通道結(jié)構(gòu)，可以完成氣攜(煤粉、液)試驗和氣舉等試驗。改變調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，可以完成調(diào)節(jié)噴嘴、井筒流場規(guī)律、井筒壓降等試驗。

1—回流管；2—回流控制閥；3—羅茨風(fēng)機；4—氣量控制閥；5—氣體流量計；6—固相添加裝置；7—套管；8—油管；9—模擬井底；10—混合腔；11—壓力傳感器；12—空心桿；13—壓力傳感器；14—節(jié)流閥試驗區(qū)；15—壓力傳感器；16—放空管。

2.2 液攜試驗?zāi)K組成

為實現(xiàn)液攜的基本功能，設(shè)計了如圖2所示管路流程，模擬采出液從水池中充分混合、加熱后被泵送到模擬泵吸入口。

1—水箱；2—泵；3—回流控制閥；4—流量計；5—壓力傳感器；6—溫度傳感器；7—模擬泵吸入口；8—混合腔壓力傳感器；9—管路壓力傳感器；10—加砂口；11—模擬油管；12—模擬套管；13—模擬抽油桿；14—上封頭；15—回管；16—加熱系統(tǒng)。

采出液在桿管模擬環(huán)空中上升，通過回管構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，完成模擬桿管環(huán)空的液攜舉升試驗。改變液體通道，例如從桿內(nèi)環(huán)空產(chǎn)出，可以模擬速度管攜液試驗。通過壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器對進入試驗系統(tǒng)的液體的壓力、溫度、流量進行測量。通過加溫系統(tǒng)模擬不同井液溫度下的工作情況。

2.3 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)方案

試驗臺的所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集，氣體、液體的流量調(diào)節(jié)通過計算機控制調(diào)節(jié)閥和壓縮機(泵)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接線如圖3所示。

該系統(tǒng)使用計算機集中對注入模擬試驗井筒的液體進行溫度、流量、壓力控制，對注入模擬井筒的氣量、壓力控制，通過改變試驗環(huán)空，實現(xiàn)對不同環(huán)空流速的控制。系統(tǒng)采用PLC與組態(tài)王組合的控制、采集模塊，實時顯示模擬井筒中液相、氣相的壓力、流量、溫度等參數(shù)，實現(xiàn)了整體試驗的自動控制與記錄，對于試驗的重復(fù)性與現(xiàn)場模擬的真實性有較大的幫助。

2.4 主要設(shè)備基本參數(shù)選擇

1) 氣攜試驗?zāi)K。

由羅茨風(fēng)機、氣閥、壓力計、氣流量計、管柱、煤粉入口、混合腔等組成。風(fēng)機的排出壓力為1.2 MPa,最大排氣量為15 000 m3/d。氣閥、壓力計、混合腔、流量計等依據(jù)上述參數(shù)進行設(shè)計選型。管柱選擇承壓不小于4 MPa的透明PVC管，模擬套管外徑為100 mm ,油管外徑為60 mm，抽油桿外徑為20 mm(內(nèi)徑14 mm)。為便于觀察和安裝，上下封堵采用螺紋+密封墊的結(jié)構(gòu)。

2) 液攜試驗?zāi)K。

由水泵、水池、加熱器、液閥、溫度計、液流量計等組成。水泵選擇小型軸流泵，其排出壓力為1 MPa, 排量為50 m3/d。加熱系統(tǒng)選擇電控加熱系統(tǒng)，溫升60 ℃的加熱時間為2.5 h，系統(tǒng)的耐溫設(shè)計為80 ℃。煤粉等固相顆粒經(jīng)粉碎、計量后添加到系統(tǒng)的水池內(nèi)，符合水?dāng)y固相顆粒的試驗要求。

3) 數(shù)據(jù)采集與控制部分

由采集與控制工控機、氣體流量計、液體流量計、溫控器、液相加熱系統(tǒng)、壓力計等組成，可以完成液相溫度、壓力、流量的檢測與控制和氣相壓力、流量的控制，完成液攜、氣攜試驗的要求。

3 典型試驗

3.1 動液面試驗

將管套環(huán)空內(nèi)液面充到給定的高度，將氣體從管套環(huán)空產(chǎn)出。隨著氣體產(chǎn)量的增加，可以清楚地看到動液面的變化情況，如圖4所示。當(dāng)氣井在產(chǎn)氣量大于給定的量值時，其動液面將不復(fù)存在，管套環(huán)空內(nèi)為氣液混合流狀態(tài)。

圖4 隨著產(chǎn)氣量的增加，液面的變化試驗結(jié)果

3.2 光滑環(huán)空液攜煤粉試驗

將從某煤礦采集的煤樣用破碎機做成煤粉，與水混合，煤粉的質(zhì)量分數(shù)為0.5%。通過泵將混合液注入桿管環(huán)空，待流場穩(wěn)定后，測量攜出液的煤粉含量，進行液攜煤粉試驗。煤粉攜出率與液體流速的關(guān)系如圖5所示，圖中，橫坐標(biāo)為管內(nèi)液體的流速與被攜的煤粉中砂質(zhì)固相顆粒的攜出液中的靜止沉降速度的比，縱坐標(biāo)為煤粉的攜出比例(試驗條件為：垂直管柱高度3.3 m,溫度25 ℃，煤粉來自晉城某煤礦的原煤，粉碎后，用攪拌機與攜出液充分混合后，進入試驗裝置。)，可知，當(dāng)環(huán)空內(nèi)液相流速小于顆粒的沉降速度時，只有懸浮部分的固相顆粒可以排出。當(dāng)流速達到足夠大時，進入井筒的固相顆粒才能被排出井筒。這為合理的設(shè)計液攜煤粉排采系統(tǒng)提供了依據(jù)。

圖5 液相固相顆粒攜出試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計的氣攜、液攜試驗裝置可以滿足目前煤層氣排采井筒試驗的需要。該試驗裝置可以進行管套、桿管、桿內(nèi)3個環(huán)空的氣攜液、氣攜固相顆粒和液攜固相顆粒的能力試驗，這對于驗證低壓氣攜液、氣攜固相的充要條件及其液攜固相顆粒的條件有一定的幫助。

2) 通過模擬試驗，研究井筒流場規(guī)律，為煤層氣排采系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)，提高液攜和氣攜固相顆粒的排采效率。這對于非常規(guī)天然氣的經(jīng)濟開發(fā)有一定的幫助。

3) 由于實驗室條件限制，垂直管柱的高度較小，對于試驗結(jié)果有一定的影響。

4) 開展高壓氣攜液能力的試驗研究對于氣田的經(jīng)濟開發(fā)有重要意義。